深部煤炭资源采选充绿色化开采理论与技术

深部煤炭资源开采已势在必行,但面临更加复杂的开采环境、更加危险的开采扰动诱导潜在灾变过程。结合深部煤炭开采“四高一扰动”的挑战与充填开采在岩层控制等方面的技术优势,总结分析了深部充填开采面临的五大技术难题,提出深部煤炭资源采选充绿色化开采构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选与矸石就地充填一体化生产系统,形成深部煤炭采选抽充防协同生产模式,实现深部煤炭及伴生资源的安全高效及绿色开采。该构想的初步技术体系已基本形成,并在平煤集团十二矿、开滦集团唐山矿等深部矿井建立了示范工程或基地。后续将继续深入开展深部充填开采岩层控制等6个基础理论方面的研究工作,创新采选充绿色化系统布置、自动化充填、物料大流量输送、煤矸智能分选等7项关键技术,形成深部煤炭资源采选充绿色化开采的系列理论与技术体系,为实现深部资源绿色化开采提供可靠基础。     

"采选充+X"一体化矿井选择性开采理论与技术体系构建

由于"采选充+X"一体化矿井系统的复杂性,基于安全绿色高效开采的原则,本文提出了针对"采选充+X"一体化矿井的选择性开采技术的理论构想,并从充填控制岩层移动、应力集中、裂隙场发育、留(掘)巷稳定等角度分析了"采选充+控""采选充+留""采选充+抽""采选充+防""采选充+保"等矿井的关键科学问题,提出了满足不同充填控制要求的选择性开采技术理论框架、选择性开采技术辅助决策支持系统的构建思路和基本内容。随着采选充技术的扩展应用,选择性开采技术也将逐步延伸到各个技术模式,并以它独有的绿色环保、高效协调为实现"采选充+X"一体化矿井的开采提供技术决策与保障。     

浅谈几种特殊条件下煤炭开采技术与绿色开采的结合

随着煤炭开采的日益加剧,各地的矿井开采条件也越来越复杂。为了充分开采煤炭资源,必须认真研究各种条件下煤炭的绿色开采技术。在已有的研究成果基础上,简单总结了深部矿井、瓦斯灾害严重矿井开采的技术与绿色开采理念的融合,包括深部矿井的地热利用、瓦斯预抽采、煤与瓦斯共采、矸石填充等内容。     

绿色开采定量分析与深部仿生绿色开采模式

绿色开采是煤炭规模化开采向现代生态文明开采的技术跨越，绿色开采水平的科学评价则是建立适用绿色开采模式与实践效果检验的重要方法。研究基于前人成果分析，试图从生态学视角将传统的采矿系统与生态系统相融合构建采矿生态系统，采用物理模型构建、数学模型分析和实例验证方法，分析开采扰动时系统受损状态和生态损伤程度，构建生态损伤和绿色开采分析模型，定量评价绿色开采水平和效果，参考西部深部开采环境特点和采动生态响应特征，建立适用的绿色开采模式，为西部矿区探索适用的绿色开采解决方案提供有效途径。研究基于采矿生态系统，提出描述开采“激励”作用下生态损伤的4个因子和16个主要参数，系统内3类要素组(采动覆岩、地下水系统、地表生态)的4种耦合关系(应力耦合、水-岩耦合、水-土耦合、辐射耦合)和生态损伤的系统外传导效应，提出描述生态系统原态与受损状态相对变化关系的“生态损伤系数”;绿色开采本质是通过控制开采激励的生态响应水平实现“减损”和近零排放的先进开采方式，参照生态系统原态提出开采“绿度”指标度量开采扰动下自然稳定的生态系统原态保持水平，基于生态损伤系数建立了绿度定量分析模型和绿色开采水平比较模型;建立了绿色开采模型，分析了开采工艺参数、地下水系统保护和地表生态修复方法的绿度贡献水平，发现控制导水裂隙带高度、矿井水涌出量和含水层保护、近零排放等途径对开采绿度贡献相对较大;采用“递进式”优化的绿色开采方法与安全高效开采模式对比，地下水系统减损对提升绿色开采水平相对贡献更大;处于西部生态脆弱区的神东矿区分析显示，大柳塔矿、上湾矿、榆家梁矿等优于全区平均绿色开采水平，地下水系统减损是提升绿色开采水平的瓶颈;按照“源头减损与过程控制”思路，着力“降高、减失、快治、零排”，建立以“仿生”开采工艺为核心、非连续开采充填、含水层渗流隔离、煤矿地下水库储水、地表生态分区治理技术协同且精准控制开采过程的深部仿生绿色开采模式。     

深地煤炭资源流态化开采理论与技术构想

地球浅部煤炭资源逐步开采殆尽,煤炭资源开发不断走向地球深部。然而,面对深部地层环境与极限开采深度的限制,传统采矿学与力学等理论难以解决深部煤炭开采出现的技术难题,深部煤炭绿色安全高效生产面临严峻挑战。结合深地煤炭资源开发的未来趋势,提出深地煤炭资源流态化开采的颠覆性科学构想及流态化开采定义、目标与内涵,建立深地流态化开采的应力-温度-渗流-化学-微生物等多种作用机制的多场耦合模型与可视化理论,揭示煤炭流态转换的物理、化学与生物机制,建立深地煤炭资源的采、选、充、电、热、气一体化的物理流态化开采、化学转化流态化开采、生物降解流态化开采、物理破碎流态化开采等颠覆性理论和技术。在此基础上,提出"2025基础研究、2035技术攻关、2050集成示范"的战略实施路线,构建深地煤炭资源无人智能化的采选充一体化开采、热电气集成转化的流态化开采理论与技术体系,达到"地上无煤、井下无人"的绿色环保目标,实现深地煤炭资源开采的颠覆性变革。     

“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”专题学术论文编者按

我国煤炭资源开发不断向深部发展,深部井巷围岩控制理论与技术对保障我国深部煤矿安全、高效建设与生产具有重要意义。煤炭高效回收是提高煤矿效益、煤炭资源回收率及延长矿井服务年限的关键技术。本期前16篇论文是从“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”提交的论文中,优选出的有代表性论文,研究内容涉及深部与复杂困难巷道、硐室围岩变形破坏机制、围岩控制理论及控制技术;深部采场矿压显现特征,采煤工作面煤壁破坏机理与防治;深井无煤柱煤与瓦斯共采技术;冲击地压危险性评价,冲击载荷作用下煤岩体破坏特征,深部冲击地压巷道围岩控制技术等。希望本期“深部井巷围岩控制及煤炭高效回收工程科技论坛”专题学术论文能够为从事该领域研究的学者提供参考与帮助。     

“协同开采”内涵析理与发展方向展望

“协同开采”是我国学者独立提出的一项采矿技术理念，该理念在推广应用过程中出现了一些争议。通过对“协同开采”的内涵进行析理，对相关争议进行了回应，并对其发展方向进行了展望。首先，回顾了“协同开采”理念的提出背景与发展过程，概述了我国学者在协同开采领域的相关研究进展；其次，对与该理念密切相关的“开采”与“采矿”、“协调”与“协同”两组基础词汇进行了内涵辨析；在此基础上，进一步对“协同开采”定义做了修订，并划分了“协同开采”的类型；然后，对“协同开采”与“协调开采”、“参数优化”之间的区别及对有关“协同采矿”、“适用领域”等方面的争议给出了明确观点；最后，从理论研究、采矿设计代次、领域横断发展、横向分支技术、特殊环境下资源开采、与新一代信息技术（如人工智能技术、大数据技术等）相结合等方面，对“协同开采”未来的发展方向进行了展望。分析结果对于准确理解“协同开采”内涵及推进相关科学研究与技术开发具有重要促进作用。     

煤炭开采新理念——科学开采与科学产能

针对我国煤炭资源开采的现状及存在的问题,提出了煤炭资源“科学开采”和“科学产能”的概念和内涵。科学开采是指在科学发展观引领的与地质、生态环境相协调前提下最大限度地获取自然资源,在不断克服复杂地质条件和工程环境带来的安全隐患前提下进行的安全、高效、绿色、经济、社会协调的可持续开采;科学产能是指在具有保证一定时期内持续开发的储量前提下,用安全、 高效、环境友好的方法将煤炭资源最大限度采出的生产能力,主要包括3方面的要求：安全开采、绿色开采和高效开采。在此基础上提出了生产安全度、生产绿色度、生产机械化程度的煤炭科学产能评价指标体系与标准,并对我国五大产煤区及全国和发达国家进行了科学产能分析对比。结果表明：2010年我国煤炭产能得分平均为42.58分,按科学产能标准得分在70分以上的煤炭产量为10.78亿t,仅占全国煤炭总产量的33.27%;而美国、澳大利亚、英国、德国等世界先进产煤国的煤炭科学产能得分均在90分以上,我国与世界先进水平差距较大,应当全面推行科学开采和科学产能的理念,坚持煤炭科学开采,全面提升我国煤炭开采的科学化水平。     

煤矿绿色开采与沙漠综合治理的互补性

从地理分布、资源特点、生态环境和经济发展4个方面,对煤炭绿色开采与沙漠综合治理之间的互补性进行了分析.以沙漠沙为主要原材料,对煤炭资源实施充填开采,一方面可从根本上控制采煤引发的岩层移动,避免地下水系和地表环境遭到破坏,从而实现煤炭绿色开采;另一方面通过科学采沙减少沙源,矿井水的资源化利用增加水源,可以有效地遏制土地沙化.将资源开发与环境治理作为一个完整的系统,煤炭企业进行资源开采、煤炭深加工、坑口发电的同时,以投资入股的形式参与沙漠治理开发,发展以种植业、养殖业、林业等为主的“沙产业”,从根本上减轻过度农垦、放牧、樵采等人为活动造成的环境压力,最终实现企业与社会,经济与环境的协调可持续发展.     

“采选抽充采”集成型煤与瓦斯绿色共采技术研究

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施"采选抽充采"集成型煤与瓦斯绿色共采的现实需求与意义,并着重阐述了高瓦斯低渗透煤层开采技术、井下煤矸分选技术、混采工作面开采技术,提出了"采选抽充采"共采技术的基本原理。结合平煤十二矿存在的埋深超千米辅助提升困难、主采煤层瓦斯含量高与渗透率低、上覆煤岩体不具备常规保护层开采条件以及依靠开采"建筑物下"压煤保障矿井产量的开采条件,介绍了该矿"近全岩保护层开采→煤矸井下分选→瓦斯卸压抽采→充填与综采混合开采"的集成型共采技术的主要系统设计及工程应用效果。研究表明:"采选抽充采"集成型煤与瓦斯共采技术实现了高瓦斯低渗透煤层安全高效开采以及矸石直接井下回填,拓展了保护层与充填开采技术,提高了矿井资源采出率,延长了矿井服务年限。     

井下煤矸分离与综合机械化固体充填采煤技术

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施煤矸井下分离的现实需求与意义,并着重综述了煤矸选择性破坏法、重介质选煤法、动筛跳汰法等常用井下煤矸分离方法的技术原理、系统及关键装备,提出了井下煤矸分离与固体充填采煤系统设计的基本原理。结合唐山煤矿存在"三下"压煤开采、矿区环境保护以及煤矸井下分离的工程案例,介绍了该矿"采煤→煤矸分离→矸石充填→采煤"闭合循环的采分充采一体化开采技术的基本原理、分离与充填系统设计及实际工程应用效果。研究表明:井下煤矸分离与矸石充填技术的有机结合可实现矸石减排、井下洗选以及地表沉陷控制,是实现绿色开采的重要途径。     

煤炭资源生态开采关键技术研究及应用

 为进一步提高翟镇煤矿绿色开采技术水平,本文基于翟镇煤矿的煤炭资源绿色开采实践,阐述了翟镇煤矿煤炭资源生态开采的关键技术及应用效果,论证了实现矿井矸石不升井、资源不浪费、矿井不产尘、污水不外排、煤炭不落地、地表不下沉的方法,提出了一条煤炭企业建设安全高效集约型、生态友好型、绿色循环型矿区的发展之路,具有很高的推广价值。     

固体充填采煤技术在邢台矿建筑物下的应用

针对邢台矿建筑物下存在大量压煤,而地面矸石山堆放占地严重以及矿区坑口电厂排放大量粉煤灰的情况,为了实现矿井可持续发展、扩大矿井可采储量、控制地表下沉、消除固体废弃物对环境的污染,提出了采用地面矸石配合粉煤灰充填采空区,采出建筑物下压煤的开采模式。解决了充填体进入采空区的空间、通道和动力等技术问题,并建立了完善的充填效果检测系统,在保证地面建筑物完好的情况下,有效采出邢台矿建筑物下呆滞煤量2000万t以上。     

“采充并行”式保水采煤方法

针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足,采煤与充填作业协调困难等问题,提出“采充并行”式充填保水采煤方法。在开采过程中,首先将整个开采块段内的所有采场支巷划分为多个开采阶段,每当开采并充填完一个阶段内的所有采场支巷后,再进行下一阶段采场支巷的开采和充填,直至开采和充填完所有采场支巷,最终实现充填体与煤炭的完全置换。为有效控制覆岩移动,每个采场支巷开采完毕后就立即对其进行充填。为确保正在开采的采场支巷两帮是实体煤或已达到设计强度的充填体,在阶段内对采场支巷进行间隔开采。研究成果应用于王台铺煤矿,在块段内煤炭资源采出率达96.8%的条件下,实现了浅表水资源的保护,地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。该方法采用一采一充一备的“采充并行”式充填开采模式,充分发挥快速连采和充填采煤的优点,可实现保水采煤。     

固体充填采煤充实率设计与控制理论研究

根据固体充填采煤密实充填体的不同充实率决定不同岩层移动控制效果及“等价采高”预计地表沉陷的原理,提出固体充填充实率设计的理论依据,定性分析影响充实率的主控因素,并分别基于等价采高、关键充填设备、工作面推进方向、固体充填材料力学特性、地质条件以及充填工艺实施等7个主控因素对充实率的不同影响机理进行理论分析,明确充实率设计的基本原理,建立不同覆岩条件及压煤类型条件下固体充填采煤充实率设计流程与方法,并提出充实率控制的基本原理及6项控制措施;结合济三矿固体充填采煤工程案例,对充实率的设计及控制理论进行了应用,充实率控制指标理论设计为88%,现场实测为90.3%。理论分析与实践表明,充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著,充实率的精确设计与良好控制是保证充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷控制的关键。     

煤炭开采与保水开采技术

煤炭开发与地下水资源保护之间的矛盾日益突出,煤炭开发在促进社会经济发展的同时也给当地生态环境带来了较大破坏,尤其对地下水资源的影响更为显著。如何实现煤炭开发与水资源保护间的相互协调是当前煤矿开采面临的巨大难题。通过分析煤矿开采对水资源尤其是对顶底板含水层的影响,进一步阐述了煤炭开采与水资源保护技术的技术进展情况及当前可实现保水开采的2种基本技术途径:以“堵截法”和“疏导法”为理念的保水开采技术的适用性和面临的技术难题,提出矿井要在不断探索实践中科学合理地选择适用于矿井自身的保水开采技术,对解决当前煤矿开发与水资源保护之间面临的双重难题,对矿井可持续发展具有一定的指导作用和借鉴意义。     

部分充填采煤技术的研究与实践

对煤矿充填开采而言，如何提高充填采煤效率、降低充填成本是需要持续深入研究的问题。结合煤系层状覆岩移动特点和控制要求研发的部分充填采煤技术，为上述问题的解决提供了一条重要途径。在对我国充填采煤技术发展进行综述的基础上，系统总结了部分充填采煤技术的研究进展，包括：部分充填开采的概念与技术框架，覆岩隔离注浆充填、短壁冒落区嗣后充填、长壁墩柱同步充填等3种部分充填采煤技术的原理、设计方法、适用条件和应用情况。实践证明，部分充填是一种高效低成本充填采煤技术，尤其是覆岩隔离注浆充填，其吨煤充填成本仅为30～60元，单面充填采煤能力可达60～100万t/a，已在淮北矿区得到推广应用。     

综合机械化固体充填采煤技术研究进展

在简要综述充填采煤历程和发展现代化充填采煤技术的目标、要求和难点的基础上,系统介绍了综合机械化固体充填采煤技术的研究进展。重点论述了密实充填采煤的岩层移动控制理论,其理论上的突破是新技术发展的前提,主要包括：充填开采岩层移动控制的等价采高理论;充填开采岩层运动的连续介质力学模型;充填开采岩层移动的计算公式;固体充填的采场矿压与支架受力分析。进而系统介绍了综合机械化固体充填采煤的系统、装备及工艺,以及在密集建筑群下、孤岛村庄煤柱区域、临近松散含水层区域和大型河堤下进行大规模充填开采煤炭的工程实例。     

浅谈煤炭绿色开采技术的方法及原理

"绿色开采"是以遵循循环经济绿色工业为基础,形成开采与环境相协调,以实现"低开采、高效率、低排放"的采煤技术。煤炭开采对环境污染严重,实施绿色开采是煤矿实现可持续发展的必经之路。本文对绿色开采中煤与瓦斯共采技术、充填开采技术和保水开采技术的原理及方法进行了阐述。